EMBARCAÇÕES DE SUPERFÍCIE DE ALTO DESEMPENHO (do inglês: Advanced Marine Vehicles - AMV)

Por:

Jorge Antonio Merino Muñoz jmerino@peno.coppe.ufrj.br
Aluno de doutorado da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Programa de Engenharia Naval e Oceânica (COPPE – PENO)
Área de Hidrodinâmica

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Resumo:

Este trabalho é um relatório da materia de Embarcações de Alto Desempenho, materia eletiva no ano 2005 no PENO/ UFRJ. Aqui se apresentam algumas definições, clasificações e caracteristicas importantes com respeito aos navios de alto desempenho, assim mesmo se mostram as vantagens e desvantagens. Embora estes tipos de navios sejam pouco utilizados no sector naval específicamente peruano é ainda uma alternativa interesante que deve ser considerada, sobretudo o que concerne a transporte de passageiros ao longo do litoral peruano e ainda mais considerando a grande quantidade de rios navegaveis que tem o territorio peruano. O autor espera que o presente trabalho incentive ao leitor a pesquisar nestes tipos de navios.

Embarcações de Superfície de Alto Desempenho (AMVs)

Definição: são embarcações de superfície que operam na interface ar/água ou na sua proximidade, conjugando altas velocidades com um bom comportamento em ondas.
O surgimento de estas embarcações se deu como a necessidade de atingir altas velocidades e posteriormente buscou-se manter estas velocidades de forma segura. Para isto foi necessário que uma porção significativa do casco seja retirada da água para reduzir a resistência do veículo, sabendo-se que a massa específica do ar é 815 vezes menos que a da água.
Se percibe que a resistência ao avanço de um veículo imerso em água será muito maior do que a imersa em ar.

Classificação pelo modo de sustentação:

· Hidrostática
-Sustentação explicada pelo principio de Arquimedes.
-Pode operar na superfície da água ou totalmente submerso.
-Exemplo: Navios convencionais, SWATHs, plataformas, submarinos

· Hidrodinâmica
-Operam na superfície e fazem uso de propriedades hidrodinâmicas para ter a maior parte de sua sustentação origianaria da interação de dispositivos submersos como o fluxo de fluido líquido.
-Ex.: Embarcações planadoras, sustentação pode ser explicada pelo principio de escoamento em placa plana. Aerobarcos: sustentação dinâmica originada por fólios submersos e cujos princípios podem ser explicados pela teoria de asa.

· Aerostática
-Operam em médio aéreo, sua sustentação não depende de seu movimento.
-Ex.: Hovercraft, veículos a colchão de ar (ACVs), navios de efeito de superfície (SESs).

· Aerodinâmica
-Operam em médio aéreo e eventualmente próximos à superfície, sustentação fornecida pelo escoamento aerodinâmico em torno de algum dispositivo.
-Ex.: Aeroplanos, sustentação fornecida por asas, asas em efeito solo (WIGs) se sustentam por asas que operam na proximidade da superfície.

Tipos de Embarcações de Superficíe de Alto Desempenho

1. Embarcações Planadoras
2. Aerobarco (Hydrofoils)
3. ACVs (Air Cushion Vehicles)
4. SESs (Surface Effect Ships)
5. SWATH (Small Water Area Twin – Hulls)
6. WIGs (Wings in Ground Effect)

1. EMBARCAÇÕES PLANADORAS

www.limernautica.com.br/nova%20pagina/Lanchas.htm

· CARACTERÍSTICAS

-Sustentação dominantemente hidrodinâmica.
-A sustentação pode ser explicada pelo principio de escoamento de placa plana.
-As principais aplicações podem ser classificadas em: militares, de recreio e de serviço.
-Os catamarãs também estão incluídos dentro de embarcações de planeio.

· VANTAGENS

-Concepção e construção bastante simples.
-Baixo consumo de combustível quando comparado com outros AMVs.
-Baixo custo de construção e de manutenção, devido a sua estructura simples e leve.
-Simplicidade na operação e de manobra em porto além de não demandar instalações portuarias muito especializadas.
-Operam muito bem em modo hidrostático, tem boa qualidade aerodinâmica.

www.abmarine.co.nz/

· DESVANTAGENS

-Comportamento em ondas deficiente, grande perda de velocidade em ondas de baixa freqüência.
-A estabilidade dinâmica tende a ser deficiente em altas velocidades.
-Velocidade relativamente limitada, em comparaçõa com embarcações de superfície de sustentação aerostática e aerodinâmica.
-Baixa capacidade de carga comparada com outras AMVs.

holycoast.blogspot.com/2008/05/boat-racer-run...

1.1 CATAMARÃS DE PLANEIO

http://www.defenseindustrydaily.com/cat/logistics-support/logistics/page/3/

· VANTAGENS

-Grande superfície de plataforma.
-Grande estabilidade transversal.
-Possibilidade de se adotar maiores ângulos de dedrise.

· DESVANTAGENS

-Estructura e instalações mais complexas aumentam custo e peso.
-Aumento da resistência friccional devido ao aumento da superfície molhada e novas componentes da resistência devido à interação entre cascos.
-Aparecimento ou amplificação de diversas componenentes da aceleração.
-Custos adicionais de instalação de uma segunda praça de máquinas.
-Quando atravessam um trem de ondas estão sujeitos a esforçõs mecânicos mais intensos que os monocascos.

2. AEROBARCOS

Aerobarco (hydrofoils) com fólios secantes
www.ships-for-sale.com/hydrofoil_for_sale.htm

· CARACTERÍSTICAS

-São embarcações que, no regime de operação, têm sustentação fornecida por fólios submersos.
-Os fólios determinam os dois grandes grupos de aerobarcos: os de fólios submersos e os de fólios secantes.

Aerobarco (hydrofoils) com fólios submersos
www.boeing.com/history/boeing/hydro.html

· VANTAGENS

-Bom comportamento em ondas, reduzindo a demanda de potência quando opera sobre fólios.
-A operação de manobras em calados menores, na condição de operação sobre o casco, pode ser facilitada pela adoção de hidrofólios retrateis.
-Os aerobarcos com fósios secantes não apresentam problemas com os efeitos de ponta.

Aerobarco de Passageiros
www.boeing.com/history/boeing/hydro.html

· DESVANTAGENS

-O sistema submerso é a necessidade da existência de um sistema de controle ativo dos movimentos (Auto Pilot on Foils), cujo custo é muito elevado.
-Têm limitação de tamanho e capacidade de carga, devido a que a sustentação fornecida pelos fólios é proporcional à área que impede que os aerobarcos cresçam indefinidamente.
-Aerobarcos que operam em água agitadas podem atingir impactos de ondas com o casco durante a operação.

3. ACVs (Air Cushion Vehicles)

anggun3.wordpress.com/2008/05/31/1borneo/

· CARACTERÍSTICAS

-Também chamados HOVERCRAFTS, são embarcações de sustentação aerostáticas que operam sobre colchões de ar formados pela inflação de ar no interior de uma saia flexível.
-A propulsão é quase sempre aérea.
-Têm operação anfíbia, podendo ultrapasar obstáculos sobre a terra.

www.boeing.com/history/boeing/hydro.html

· VANTAGENS

-Podem alcançar altas velocidades devido à pequena resistência ao avanço.
-Grande capacidade de carga, pode ser controlada através da variação da pressão do colchão.
-A operação facilita a operação de embarque de passageiros ou de carga.

anggun3.wordpress.com/2008/05/31/1borneo/

· DESVANTAGENS

-Pequena estabilidade direcional e dificuldade de se controlar o curso e a velocidade de avanço e frenagem.
-Necessidade de complexo sistema de direcionamento operando em conjunto com a propulsão.
-O baixo nível de conforto resultante das grandes acelerações verticais ariginadas pela forma plana do colchão.
-O grande consumo de combustível.
-Alto custo de manutenção pelo complexo dos sistemas de propulsão e de insuflamento.
-Fabricação leve e cara.

4. SESs (SURFACE EFFECT SHIPS)

defense-update.com/products/s/skjold.htm

· CARACTERÍSTICAS

-Os navios de efeito de superfície são embarcações de sustentação aerostática cujo colchão de ar está contido em um compartimento não completamente flexível.
-Têm dois cascos laterias rígidos e apresentam estruturas flexíveis insufladas à vante e à ré.
-Seu casco atravessa a superfície da água o qual não é assim com os ACVs.
-Na condição estática, a pressão do colchão, expressa em coluna de água salgada não pode nunca exceder o menor valor de calado.
-Têm propulsão aquática.

defense-update.com/products/s/skjold.htm

· VANTAGENS

-Grandes velocidades obtidas podem chagar a 100 nós já que a resistência ao avanço é muita baixa.
-Concebidos a partir dos ACVs, os SES também têm uma grande capacidade de carga.
-Têm maior estabilidade direcional que os ACVs, mais manobrabilidade e atingem maiores velocidades.
-Bom rendimento do sistema propulsivo, pois a resistência ao avanço é pequena e o rendimento da propulsão aquática é sempre bem superior ao da propulsão aerea.
-O pequeno calado quando operam sobre o colchão.
-Possibilidade de duplo modo de operação: um sobre o colchão, mais rápido e com menos calado; e outro sobre o casco, mais lento e com maior autonomia.

· DESVANTAGENS

-Não tem operação anfíbia.
-O seakeeping é ainda mais crítico do que dos ACVs já que o amortecimento fornecido pelo colchão e pela saia é menor.
-Um sistema ativo de insuflamento se faz necessário no caso de operação em altas velocidades.
-Grande consumo de combustível.
-Custo de manutenção alto, pelo rápido desgaste.
-O sistema de insuflamento ativo capaz de controlar a pressão interna do colchão é complexo e custo caro.

5. SWATHs (SMALL WATER AREA TWIN-HULLS)

defense-update.com/products/s/skjold.htm

· CARACTERÍSTICAS

-Embarcações de deslocamento não convencionais que operam em velocidades intermediárías.
-Têm excelente comportamento em ondas devido a sua pequena área de linha de água.
-O SWATH é um catamarã com cascos afilados na altura da linha de operação, adquirindo a forma de “torpedos” em sua porção submersa.

http://www.superyachttimes.com/editorial/2/article/id/1829

· VANTAGENS

-O excelente comportamento em ondas é garantido em todos os estados de mar.
-Grande superfície na plataforma.
-Alta velocidade comparada com outras embarcações de deslocamento.
-Possível redução das vibrações e ruídos no caso que a instalação propulsora estaja localizada no interior dos torpedos.
-Um excelente comportamento em mar quando parado.

gcaptain.com/.../

· DESVANTAGENS

-A velocidade limitada devido à grande superfície molhada, o que aumenta a resistência friccional.
-O grande calado que reduz a área de operação e pode dificultar a operação em portos normalmente destinados a embarcações do mesmo porte.
-A exterma sensibilidade às variações de peso o que implica na necessidade de sistema de lastro.
-A complexidade estructural devido à forma do casco vai conduzir a um grande volume de material.
-A necessidade de operar sempre com um mínimo de trim, para não comprometer o escoamento do fluido nos torpedos.
-A estabilidade avariada precária.
-A dificuldade de instalação dos motores devido à forma dos torpedos.
-A ocorrência de instabilidade de heave e pitch.

6. WIGs (WINGS IN GROUND EFFECT)

http://www.australianhovercraft.com/hovercraft_photos.htm

· CARACTERÍSTICAS

-Embarcações de sustentação aerodinâmica que operam muito próximas da superfície sem necessidade de estar em contacto com elas.
-A diferença com os aviões convencionais é que operam sempre com suas asas próximas à superfície utilizando o chamado “efeito de solo” para obter uma maior razão sustentação/arrastro.
-Têm asas bastantes mais curtas comparado com os aviões.

http://www.australianhovercraft.com/hovercraft_photos.htm

· VANTAGENS

-Altíssimas velocidades atingidas em comparação com qualquer embarcação aquática, já que sua resistência é apenas a resistência aerodinâmica.
-A excelente relação lift/drag obtidas graças ao efeito solo e a pequena perda de sustentação devido à grande capacidade de inibição de vórtices de ponta.
-A possibilidade de atuarem como veículos de espionagem já que sua operação muito próxima à superfície dificulta a detecção por radares e também por sonares.

Turbulencia entre as asas de um avião convencional (Figura Superior) e um WIG (Figura Inferior)
http://www.australianhovercraft.com/hovercraft_photos.htm

· DESVANTAGENS

-O seakeeping crítico já que a condição de operação está limitada a estados de mar mais baixos.
-O perigo de se operar a velocidades muito altas nas proximidades da superfície aliada à limitada capacidade de ultrapassar pequenos obstáculos.
-O payload reduzido quando comparado com os outros AMVs.
-Tendem a oscilar em torno de uma altura de equilibrio onde a sustentação é igual ao peso.
-Altos custos de construção e de operação, pela tecnología de construção.
-A manobrabilidade tende ser deficiente para a operação na superfície.

Embarcacion Pesquera de Cerco-CEHIDUNI

Por:

Marcelo Elias Elias marceloeliase@gmail.com

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Ensayo de resistencia al avance realizado en el Canal de Ensayos Hidrodinamicos de la universidad Nacional de Ingenieria a una embarcacion pesquera de cerco.

El barco tiene una eslora de 45 metros y capacidad de bodega de 300 metros cubicos, la escala del modelo es 1:30

El bulbo mostrado en el video es del tipo gota invertida, la velocidad es de 12.8 nudos.

Modelo de Inundación Progresiva del Navío

Por:

Marcelo de Almeida Santos Neves (1) masn@peno.coppe.ufrj.br
Miguel Angel Celis Carbajal (2) mcelis@peno.coppe.ufrj.br

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RESUMEN

Esta situación no solo corresponde a buques también es susceptible todo tipo de artefacto naval por ejemplo la Petrobras 36 una plataforma de explotación de petróleo en el mar (P36) fue una de las más grandes plataformas de producción en el mundo pero el 20 marzo del 2001 sufrió tres explosiones produciendo el colapso de las columnas lo que llevo a esta plataforma a una situación de inundación progresiva [1] se perdió 11 vidas humanas. Otro caso que sirve como Benchmark es el del buque MV Estonia [2] 852 vidas humanas fueron perdidas por este ferry Ro-Ro se inundo en la noche del 27 para el 28 de Septiembre de 1994 en el mar Báltico.

Plataforma P-36 de la Petrobras [1]

Recientemente el navío de Singapur Cougar Ace ha volcado en la costa de Alaska. Los 23 tripulantes fueron rescatados. Lo mismo no se puede decir para los autos Mazdas 4,700. Este navío fue realmente rescatado de esta situación para mayor información vea [3]

Navío Cougar Ace [3]

Navío Cougar Ace [3]

El modelo de La inundación progresiva del navío en avería depende fundamentalmente de la disposición de los compartimientos del navío y de la forma de la abertura de ingreso del agua de mar al navío.

Figura 1: Representación de los sistemas de referencia y movimientos del navío

El modelo de los mecanismos físicos responsables por la entrada y salida de agua en los compartimientos del navío bajo acción de un determinado estado de mar constituye un problema bastante complejo. Es necesario diferenciar dos problemas:
1 El paso dl agua entre compartimientos interiores del navío.
2 Entrada o salida del agua del mar para un compartimiento del navío

Modelo Hidráulico de Inundación Progresiva

Para nuestro primer problema aplicamos las siguientes hipótesis:
1 Las superficies libres dentro de los compartimientos son planos y paralelos al nivel medio exterior en cada instante del tiempo.
Las superficies libres de los interiores se mueven en fase con los movimientos del navío bajo acciones de las olas y de la propia inundación.
2 La distribución de presiones del agua en cualquiera de los dos compartimientos son de naturaleza hidrostática, esto es, la presión depende solo de la profundidad del punto que se esta considerando. Entonces el flujo del agua entre dos compartimientos en libre comunicación depende del desnivel del agua entre dos compartimientos.

Fuerzas Hidrostáticas

Las fuerzas y momentos de restauración hidrostática que dependen del movimiento relativo entre el casco del navío y de la elevación de la ola conocido como la superficie mojada exacta del navío deben ser calculados teniendo en cuenta los sistemas de referencia inercial que informa los movimientos del navío.

La ecuación de Bernoulli: aplicado al flujo incompresible describe el comportamiento del flujo, sin considerar la energía termodinámica (energía interna).

(1)

Figura 2: Flujo del agua entre compartimientos

A partir de la ecuación (1) se deduce la velocidad del flujo en función del desnivel del agua como se presenta en la ecuación (2).

(2)

Donde es la velocidad del flujo del elemento de área , es La altura del agua de menor nivel a donde el flujo se esta dirigiendo, es la altura del agua de mayor nivel de donde proviene el flujo del agua.

Bajo esta consideración el caudal que pasa por la abertura se puede encontrar con la formulación siguiente que proviene del concepto que el caudal es igual a la razón del volumen que atraviesa una sección:

(3)

donde K es el coeficiente hidráulico de descarga, cuyo valor es determinado experimentalmente.

Figura 3 Situaciones de flujo del agua entre compartimientos:

En la Figura (3) se identifican cinco posibles situaciones de inundación entre compartimientos, se aplica la expresión (3) y se integra a lo largo de la porción mojada del panel que representa la abertura.

(6)

En la Figura 4 se presentan las coordenadas del panel como , , y la proyección del área del panel en el plano , , que es el plano paralelo al plano medio de flotación del navío y el valor de representa la diferencia de las alturas de las posibles situaciones de inundación vea Figura 3.

Figura 4: Sistema coordenado del panel

Para poder pasar las coordenadas del sistema de referencia del panel al sistema de referencia inercial es necesario utilizar una transformación de coordenadas.

Modelo Hidráulico de la entrada y Salida del agua del Navío

En este tipo de problema la entrada y salida del agua en el compartimiento dependen de las distribuciones de presión en el agua de los dos lados de la abertura tridimensional indicada en la figura siguiente.

Existen dos casos diferentes.
1. La distribución de presión del agua acumulada dentro de los compartimientos
2. La distribución de presión del agua exterior al navío.
Para el caso 1 se adoptan las mismas hipótesis utilizadas que en el caso del flujo entre compartimientos interiores.

En el caso del agua en el exterior, la distribución de presiones es más compleja debido los componentes de presión de los potenciales de velocidades relacionados a los problemas de radiación, difracción y de la ola incidente. Adicionalmente se considera la presión hidrostática.

Figura 5: Entrada de agua do mar em los compartimientos

Para simplicidad se asume la hipótesis que las presione hidrodinámicas asociadas a los problemas de radiación y difracción son despreciables, tomando en cuenta solo los componentes da presión hidrostática y hidrodinámica de la ola incidente.

Simplificando y expandiendo las ecuaciones de Euler y la ecuación de la continuidad en coordenadas cartesianas se obtiene:

(7)

(8)

De esta forma podemos modelar numéricamente este problema. Existen varios países trabajando en este fenómeno como Benchmark y es de suma importancia para la seguridad de la vida en el mar, un ejemplo claro es que ya existen pruebas experimentales echas por otras universidades como es el caso de la universidad de Athenas –Grecia y la Universidad de Helsinki [4] de Finlandia.

Foto del Modelo Testado en el NTUA (tanque de pruevas la Universidad Nacional de Atenas) escala 1:30.

Con estos datos experimentales se puede comparar los modelos numéricos y ver que tan preciso es para luego utilizar este programa con confianza, de esta forma surgen los programas comerciales que ayudan a diseñar y proyectar navíos mas seguros.

Modelo utilizado por la Universidad Helsinki [4].

Otro aporte fue el reporte echo por la SSPA [5]

Modelo Testado en su Máxima Posición de Escora Estable [5]

Fases del Proceso de Inundación Progresiva [4]

Este proyecto se encuentra en curso.

1- Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica, Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
2 -Alumno de Doctorado en Ingeniería Oceánica en la Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
Referencias:
[1] http://www.youtube.com/watch?v=kx6WIG7ygdI
[2] http://www.safety-at-sea.co.uk/mvestonia/
[3] http://www.autoblog.com/2006/07/27/cargo-ship-cougar-ace-tips-over-4-700-mazdas-aboard/
[4] Progressive Flooding of a Damaged Passanger Ship (doctoral dissertation) Pekka Ruponen.
[5] http://www.sspa.se/research/projects

AGUA EN LA CUBIERTA

Por:
Marcelo de Almeida Santos Neves (1) masn@peno.coppe.ufrj.br

Miguel Angel Celis Carbajal (2) mcelis@peno.coppe.ufrj.br
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RESUMEN

Un barco es susceptible a pasar por grandes tempestades y como consecuencia de esto, el movimiento de las olas y del navío puede volverse de grandes amplitudes de tal forma que el fluido alcance la cubierta del navío. Este fenómeno es bien conocido como ‘shipping of water’, ‘deck wetness’ o ‘Green water loading’. Vale señalar que existe la diferencia en llamar ‘Green water’ a este fenómeno porque es utilizado para diferenciar el spray (pequeñas cantidades de gua y espuma) volando al rededor y la real cantidad de agua en la cubierta, además porque el agua de mar es más verde que azul por esta razón el termino ‘Green water’ es mas usado.

Este fenómeno es un problema tanto para navíos de todo tamaño como para as estructuras offshore como son las TLPs, SPARs y semi-sumergibles.

Motivación efecto de agua en la cubierta.

La consecuencia de este fenómeno es que el agua puede invadir los compartimientos del navío disminuyendo su flotabilidad y estabilidad y sobre todo colocando en riesgo la vida humana, por esta razón el comportamiento del artefacto naval debe ser evaluado de acuerdo con los criterios reglamentados por las instituciones internacionales como la IMO. Este estudio tiene como objetivo analizar situaciones de riesgo en forma dinámica (en el dominio del tiempo) de forma de predecir posibles medidas que ayuden a disminuir los accidentes y riesgos.

Efecto de agua en la cubierta

El problema de fluido de agua poco profunda en La cubierta de un barco puede ser formulado a través de un sistema de ecuaciones no lineales hiperbólicas utilizando la teoría del fluido de aguas poco profundas. Se considerando agua poco profunda cuando la profundidad del agua en la cubierta es pequeña comparada con el radio de curvatura de la superficie del agua. El flujo de agua sucede al mismo tiempo en que el barco se mueve en los seis grados de libertad.

Figura 1: Sistema de referencia de La cubierta

En la Figura 1 muestra el sistema de coordenadas donde el origen se localiza en la cubierta a una distancia Zd del centro de gravedad del buque, no olvidar que tenemos otro sistema de referencia en la superficie libre no perturbada donde el eje Z apunta verticalmente para arriba y el eje Y a lo largo de la superficie no perturbada.

Tomando en consideración las ecuaciones de Navier Stokes expresadas en coordenadas cartesianas. Para el caso bidimensional se puede escribir las ecuaciones que describen el movimiento del agua:

Para un análisis mas profundo de las cargas sobre la cubierta y como este fenómeno afecta la estabilidad del navío puede utilizarse CFD que resuelve las ecuaciones de Navier Stokes para todo el dominio agua y aire conjuntamente, para esto se trabaja con una formulación del problema utilizando una malla computacional del casco del navío y las condiciones de superficie libre son resueltas dentro de la ecuación de Navier Stokes y las condiciones de contorno deben imponerlas en el solver junto con el método de desratización del casco.

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6

En la Figura 2 podemos apreciar un ejemplo de un modelo numérico en el cual se modela los efectos de agua en la cubierta así como cargas en la estructura.

En la figura 3 y 4 se muestra la variación del volumen de agua elevada que cubre la cubierta en la posición de máximo ángulo de roll (loll) estable, WoD es conocido como el volumen total de agua sobre a cubierta, en la Figura 3 tenemos KG=12m y en la Figura 4 KG=11m, la Figura 5 y 6 corresponden a la variación de del volumen elevado con KG=12.5m y la altura máxima de agua sobre la cubierta en función del ángulo de roll e a variación do GZ con el ángulo de roll.
Proyecto en andamiento.

1- Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica, Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
2 -Alumno de Doctorado en Ingeniería Oceánica en la Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.

Análisis de las Vibraciones Inducidas por Vortices (VIV) en un sistema híbrido de risers

Por:
Jorge Antonio Merino Muñoz (1) jmerino@peno.coppe.ufrj.br

Antonio Carlos Fernandes (2) acfernandes@peno.coppe.ufrj.br

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Glosário:

BSR: boya de sub-superficie para soporte de risers.

Jumper: Trecho de línea flexible de producción que une la BSR al FPSO.

FPSO: Navío de producción, almacenamiento y bombeo (del inglés: Floating Production Storage and Offloading).

MARIN: Instituto de Investigación Marítima de Holanda (del inglés: Maritime Research Institute Netherlands).

Offshore: Termino utilizado em la indústria petrólera referente a la producción en el mar.

Risers: Líneas flexibles o rígidas de transferencia de fluidos producidos desde el fondo del mar hacia la superficie o para la transferencia de fluidos por inyección.

SCR: Linea rígida de produccion en catenária (del inglés: Steel Catenary Riser).

Sistema híbrido de risers: configuración combinada compuesta por ductos rígidos y flexibles.

VIV: vibraciones inducidas por vórtices (del inglés: vortex induced vibrations).

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RESUMEN:

El presente trabajo analiza numéricamente los efectos de VIV sobre los riser de un sistema hibrido, los resultados son comparados con ensayos experimentales realizados en el Laboratorio de MARIN donde fueron encontradas respuestas de tracción en alta frecuencia, estas altas frecuencias pueden generar la fatiga del riser pudiendo ocasionar fallas estructurales y de operación, inclusive causando perdida de petróleo en el mar, lo que puede llevar a un desastre ecológico irreparable.

SISTEMA HIDRIDO DE RISERS

Este estudio trata un sistema hibrido de risers para uma profundidad de 1200m. Este sistema es compuesto por una boya de sub-superficie, compuesta por miembros cilíndricos de acero, anclada en el fondo del mar por un conjunto de cuatro tendones tensionados y conectados a estacas. La boya funciona como um elemento fluctuante intermediario para un conjunto híbrido de risers. Este conjunto es compuesto por 12 jumpers flexibles en catenaria suspensa uniendo la unidad estacionaria de producción (en este caso FPSO) a la BSR, y por SCRs, compuesta por 12 risers, que parten en catenaria desde la boya hasta los pozos en el fondo del mar, el arreglo del sistema puede ser visto en la Figura 1. Todos los componentes y características de este sistema serán modelados numéricamente para evaluar las tracciones de las líneas.

Figura 1. Sistema Híbrido de Risers con boya intermediaria, Almeida (2008)

FPSO

En la modelación numérica fueron utilizadas las respuestas temporales de los ensayos experimentales del FPSO, o sea, los movimientos del FPSO en las simulaciones numéricas son las mismas que fueron medidas en los ensayos experimentales de MARIN, por eso en las simulaciones no fue necesario modelar el sistema de anclaje del FPSO. En la Figura 2 se puede ver la modelación numérica del FPSO.

Figura 2. Modelación Numérica del FPSO

En la Figura 3 se muestra los ensayos experimentales realizados en el Laboratorio de MARIN, aquí se puede ver claramente el sistema de anclaje del FPSO, del FPSO salen los jumpers que unen a la BSR, luego de la BSR salen los risers conectados al fondo del tanque de testes. Se debe recordar que el presente trabajo trata de reproducir los resultados experimentales de las tensiones en los risers obtenidos en ese ensayo. Figura 3. Ensayos Experimentales del Sistema Híbrido (MARIN, 2001)

ECUACIÓN DEL MOVIMIENTO

Este trabajo utiliza el método de elementos finitos con grandes desplazamientos y dos métodos de integración en el tiempo, Explicito e Implícito, aquí será utilizado el método Explícito el cual se describe a seguir.

Las líneas del sistema (risers, jumpers, tendones) fueron modelados utilizando la teoría de masa concentrada en nudos, o sea, la línea es considerada como un conjunto de nudos unidos por resortes sin masa, estos resortes dan las propiedades restauradoras a las líneas y los nudos las propiedades de masa.

La ecuación del movimiento resuelto en cada nudo es:

Donde:
M es la masa del nudo
C es el coeficiente de amortiguamiento
K es el coeficiente de restauración
F son las acciones externas en el nudo
son los vectores posición, velocidad y aceleración respectivamente
t es el tiempo total de simulación

Figura 4. Simulación Numérica del Sistema Hibrido de Risers

Para modelar el problema de VIV fue utilizado el modelo de Vortex Tracking. Los modelos Vortex Tracking se basan en la velocidad relativa bidimensional del flujo en cada nudo del modelo estructural.

El modelo tiene dos elementos principales:

· La teoría de la capa limite es utilizada para analizar el fluido cerca de la superficie del cuerpo, representado como un disco, donde los efectos de la viscosidad son predominantes. En cada paso de tiempo la teoría da capa límite entrega las posiciones de los dos puntos de separación en los dos lados del cuerpo, donde son creados dos nuevos vórtices. La Figura 5 muestra el plano del vórtice.

· El rastreamiento de vórtices desprendidos, de ahí el nombre de vortex tracking, es realizado a través de la solución de las ecuaciones de Navier Stokes considerando el fluido sin viscosidad, las cuales son aproximadamente validas fuera de la capa límite.

Aquí utilizamos el modelo vortex tracking para calcular la respuesta 3D de un riser bajo la acción de un flujo incidente, calculado en función del tiempo en planos paralelos.

Figura 5. Modelación bidimensional de “vortex tracking”, Carneiro (2007)

RESULTADOS:

Después de la modelación numérica fueron obtenidos los resultados en función del tiempo, aplicando a transformada rápida de Fourier se puede analizar las respuestas en función de la frecuencia. En la Figura 6 se muestra la comparación entre los resultados numéricos y los experimentales. Figura 6. Comparación de los espectros de tracción en el riser Nº1. Numérico (OrcaFlex) versus Experimental (MARIN).

En la Figura 6 podemos ver claramente como el modelo numérico utilizado reproduce los dos picos en alta frecuencia encontrados en los ensayos experimentales, otros modelos de VIV utilizados no reproducen este comportamiento, que ahí la importancia del modelo Vortex Tracking en el presente trabajo.

CONCLUSIONES:

- El modelo Vortex Tracking utilizado reproduce eficientemente las tracciones en el risers cuando es comparado con los ensayos experimentales.

- Un factor importante que debe ser considerado en la modelación de los risers son los pesos y accesorios colocados a lo largo.

- La velocidad de la corriente marina es un factor importante en el fenómeno de VIV, esta influencia en la frecuencia de emisión de vórtices. Se la frecuencia de emisión de vórtices coincide con la frecuencia natural del riser, puede ocasionar grandes vibraciones y disminuir la vida útil.

- Una de las ventajas del modelo Vortex Tracking es que utiliza menor esfuerzo y tiempo computacional comparado con los métodos que solucionan la ecuación de Navier Stokes, esta conclusión es muy importante del punto de vista práctico.

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1 -Alumno de Doctorado en Ingeniería Oceánica en la Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.

2- Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica, Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.